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肥皂的去污原理及合成洗涤剂调查报告

发布时间:2019-07-07 08:26 来源:未知 编辑:admin

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  调研报告 肥皂的去污原理及合成洗涤剂 郭逸伦-5111209001-doc 第 7 组-郭逸伦 郭逸伦 背景介绍 一. 背景介绍 人们为了整洁、美观就要经常将衣服、被褥及日用餐具、茶具进行洗 涤。这一化学过程在生活中甚为广泛。从简单的肥皂到现在各种复杂 的洗涤产品, 洗涤剂的进步代表了化学工业的发展与人类对生活质量 的更高要求。通过这个调研,可以了解肥皂以及其他的衍生产品的洗 涤原理,并对使用方法以及对环境的影响得到一个条理的分析。对于 生活中选购洗涤用品以及使用洗涤剂也有很好的指导作用 二. 调研目的 了解肥皂的产生,去污原理。 分析对肥皂的改进过程。 分析各种添加剂的作用及原理。 分析添加剂对于环境的影响和改进措施。 三. 调研过程 1. 调查对象:肥皂及其他洗涤用品 2. 调查方式:查找资料,书籍,并将信息汇总。去超市了解市场上的洗涤用品,种类,配 料以及特点。在人群中做调查询问,了解各种洗涤剂的使用情况以及效果。 3. 数据及资料整理 肥皂的发明: 肥皂的发明:肥皂要比洗涤剂早得多,据说早在三千多年前,罗马 城外的圣波山上,就被人们无意中制造出来了。在这座圣山上,人们 燃烧贡品时,油脂顺势滴落到草木灰上成为最原始的肥皂,这些肥皂 渗入到周围的粘土中。人们发现,当他们坐在这些粘土上,衣服沾上 了粘土后反而比以前更容易洗干净。人们开始奉为圣土,后来才知道 这是人们无意中的劳动收获。 公元 70 年,罗马的学者蒲林尼描述了用山羊油脂和柴灰制造肥 皂的过程。在这个过程中要加入另一种东西--海盐。它能使肥皂浮在 混合液上面,这就是我们今天所说的盐析作用。这个记载恐怕是对肥 皂工业最早的描述了。由于当时产量很低,因而只能供有钱人使用, 是污秽者的奢侈品。1791 年法国化学家尼考尔斯·菜布兰兹用氯化 钠水溶液电解制得氢氧化钠, 从此以后,肥皂才成为平民百姓都用得上的东西。然而,并非每 个人都知道肥皂是什么东西。从 1811~1823 年柴夫卢尔对肥皂产品 进行研究后,令人满意地解释了什么是肥皂以及制造肥皂的化学反 应。随着科学家弄清肥皂去污原理之后,各式各样的合成洗涤剂也就 应运而生了。 肥皂的制造 :肥皂实际上是长链有机羧酸的钠、钾或三乙醇胺[N (CH2CH2OH)3]的盐。其它羧酸的这些盐也是工业肥皂,但它们没有 去污、清洁作用。把动物脂肪或植物油跟氢氧化钠溶液按一定比率放 在皂化锅内加热、 把动物脂肪或植物油跟氢氧化钠溶液按一定比率放 在皂化锅内加热、搅拌,使之发生皂化反应.反应完成后,生成的高 级脂肪酸钠盐、甘油和水形成了混合物.再向锅内加入食盐细粒,搅 拌,静置,则使高级脂肪酸钠从混合物中析出,浮在液面,从而跟甘 油、食盐水分离.这个过程就叫做盐析.这样得到的肥皂含 50%~ 60%水,是糊状的。把它继续加热脱水,当剩下约 30%水时就可以 制成固体、糕状的棒,再把它风干到只剩下 10%~15%水分时,就 可切成块。再进一步干燥到含水仅 5%~10%时就可作成粉末。 方程(C17H35COO)3C3H5 + 3NaOH(溶液) === 3 C17H35COONa+C3H5(OH) 上面的反应就可以解释古罗马人制造肥皂的过程。 作祭品的动物 脂肪中含有甘油三酸酯,柴灰的水解物中含有氢氧化钾或氢氧化钠, 当它们一起被加热时脂肪就被分解生成少量的甘油和肥皂。 天然原料制的肥皂使用 4 种脂肪:牛油、棕榈油、椰子油和橄 榄油。 有机酸要有洗涤本领必须含有 9 个碳以上的长链, 而且洗涤本领 随着碳链的增长而增强。然而,分子含 18 个碳以上的肥皂是不溶于 水的,即使在热水中也不溶解。油酸(恰好含 18 个碳)是十分好的 洗涤剂,因为它的顺式双链在第九和第十个碳原子之间,即在分子的 正中间。 因此,含 18 个碳的肥皂具有较好的洗涤本领,而分子含 12 个碳 的肥皂在水中的溶解性就增强了。由含 18 个以上碳的长链分子组成 的肥皂只用作擦洗的填充剂。 这种擦洗剂需要有去污本领而无须溶解 性。 肥皂的缺陷:自从肥皂去污原理被人们认识之后,人们就试图改 进它们的性能。因为肥皂存在不少弊病。 它在冷水中溶解得不好,在热水中才能较好地溶解, 在酸性溶液中它不能很好地发挥洗涤作用,因为它在酸性溶 液中会分解成不溶性的酸性肥皂和脂肪酸的团块。 另外,肥皂会与水中的钙、镁、铝及铁等元素反应(生成所 谓金属皂)。这就是盆、桶盛了肥皂水后出现环状污垢,织 物用肥皂洗后出现一层不明显的薄膜的原因。肥皂在软水中 是很好的清洗剂。但遗憾的是我们日常生活中使用的水,尤 其是广大农村所用的水常常是硬水。 肥皂能去污的原理:要改进肥皂的洗涤性能,化学家们就必须先弄 清肥皂能去污的原理。去污的过程是用很薄的膜除去脏物和油污-这层薄膜把脏物带到溶液中,乳化或呈悬浮状除去。此外,作为洗涤 剂要能降低水界面的表面张力, 从而使洗涤液能渗入到织物细小的缝 隙中,从而加快织物湿润的过程。 事实上,大多数有机洗涤剂都制成偶级分子,分子是由 12~18 个碳 原子组成的长链。一端含疏水基团(排斥水的),另一端是亲水基团 (吸引水的)。那么,肥皂和洗涤剂是怎样去污的呢? 一个物质要具有去污能力,首先必须能降低溶液的表面张力。 纯水的表面张力为每厘米 272 个达因。 但作为有效的洗涤剂必须把表 面张力降低到每厘米 230 达因, 把表面张力降到这个值只需要很少洗 涤剂就足够了。 作用在一个水分子上的典型的作用力, 可使水面上的分子进入溶 液中--这就产生了表面张力。肥皂的分子被加到水中时,它会浮到水 面上,因为在有机物的那端(疏水的)受极性的水分子所排斥。由于 肥皂分子在水表面受水分子排斥, 从而产生了一个对抗水分子相互吸 引的力,结果就减少了表面张力。当肥皂水加到织物纤维中时,附在 织物表面的油就聚成小油滴并离开织物表面。 肥皂中有机物的那一端 溶解在油中并使它离开织物纤维。与此同时,水在下面不断蠕动,加 快了油滴离开的速度。在棉纤维中的极性基团(如纤维素中的羟基 -OH)能吸引水,使水扩散(渗透)整个织物。 总的来说,除污去垢的反应大体是相似的。然而,因为污物可能 是电中性的,或带正电荷的或带负电荷的。所以,对这个简单的理论 进行一些修正也是必要的。 合成洗涤剂: 合成洗涤剂: 1860 年:科学家把蓖麻油磺化成磺化蓖麻油 弗利斯·肯德(Fritz Gunter)发明了 1,4-二异丙基萘-6 磺酸和二丁基萘磺酸钠。 在 1933 年,波罗特(Procter)和卡马波(Gample)制出第 一个家庭用的合成洗涤剂。这种合成洗涤剂渗到被弄脏的织物中 的面积要比肥皂大,也不会留下干扰染色的薄膜。而且它在冷水 中也能溶解,硬性溶液和硬水对它都无影响。 从那以后, 随着合成纤维工业的发展及妇女从家务劳动中解放出 来的呼声越来越强,合成洗涤剂工业就应运而生,并迅猛发展起来。 现在,家用洗涤剂通常包括下列成分中的一部分或全部: 1) 合成洗涤剂; 合成洗涤剂合成洗涤剂的分子结构与肥皂相似, 都含有亲水基因 和憎水基因。亲水的一端可以是阳离子、阴离子或非离子型的。 因为大多数织物在洗涤过程中都带上负电荷,所以市售的洗 涤剂中绝大多数都是阴离子型的洗涤剂。阳离子型洗涤剂则 是工业用的,例如,清洗装饮料的瓶子和酿酒用的各种器皿。 非离子型的洗涤剂多用于洗衣机中,因为用洗衣机洗衣物时 总希望产生的泡沫少些,过多的泡沫会影响波轮的转动和降 低清洗能力。 2-辛醇硅酮或 2-乙基己烷硅酮加入阴离子洗 把 涤剂中,也可以达到减少泡沫的目的。 2) 添加剂 除去钙、镁离子的助洗剂:助洗剂(增效剂)它是用来络合 那些导致水质变硬的离子(主要是钙、镁离子还有铁、铝等 离子),使它们进入到溶液中,从而使污物在溶液中悬浮, 阻止它们沉淀下来。同时助洗剂可以使洗涤水有适当的碱 性,从而有助于溶解酸性污物。最常用的助洗剂是磷酸盐, 但有时也用碳酸盐、硅酸盐或硼酸盐。最好的助洗剂是三聚 磷酸钠 (Na5P3O10) 和焦磷酸钠 (Na4P2O7) 碳酸钠 。 (Na2CO3) 不能将钙、镁络合进溶液中,反之生成颗粒状碳酸盐沉淀, 沉积在洗衣机底部。这点高中的化学课已谈到了。 乳化剂:乳化剂它的作用是阻止污垢的颗粒重新沉积在织物 上,使污垢悬浮于水中漂走。最普通的乳化剂是羧甲基纤维 素,其结构是:纤维--OCH2COO-Na+,它能使污垢的颗粒带 上一个负电荷,从而使污垢互相排斥,也使它们与通常负电 荷的织物纤维互相排斥。因而它们既不聚集形成沉淀,也不 易沾在织物上。 漂白剂;漂白剂当衣服中的颜料暴露于太阳、氧气及空气的 污染物中时,它们的化学结构会发生变化,从而导致衣物褪 色或变暗。但次氯酸的钙盐[Ca(ClO)2],或钠盐[NaOClO] 在水中能产生氯气,氯气可以使颜料保持原来的色泽。所以, 这些次氯酸盐常用作漂白剂。 抗腐蚀剂;抗腐蚀剂硅酸钠(Na2Si3O7)是一种防水剂,它 能在金属表面形成一层不透水的薄膜,从而保护了这部分金 属不被腐蚀。如果把它加到洗涤剂中,它可以防止洗衣机、 金属钮扣和拉链等金属部件被腐蚀。硅酸钠不仅有抗腐蚀作 用,同时它也是一种助洗剂。当然,它也保护了我们的资源。 因为有了它,洗衣机的寿命延长了,我们就无须生产更多新 的洗衣机。 抗板结剂:抗板结剂洗涤剂如果在贮存过程中受潮而板结, 使用时就会增加洗涤剂的用量。这不仅是因为结块的洗涤剂 不易完全溶解,同时也因它易于沉淀在织物上。这样既造成 洗涤剂的浪费,又缩短了织物的寿命。通常,加入少量硫酸 钠(Na2SO4)就可以有效地阻止板结。 软化剂:软化剂大多数软化剂是阳离子型的物质。织物在洗 涤时纤维常带上负电荷。这样,阳离子试剂加入后就有与织 物纤维相结合的趋势。 软化剂又有一条长的有机物链状尾巴 ,其作用像润滑剂一样使人产生柔软的手感。软化剂也有乳 化作用,并能保持水分,从而减少静电荷在织物表面的聚集。 因此,改善了手感性能。 染料,香料:着色剂和香精如果将肥皂和洗涤剂全部都制成 白色的,消费者必然会感到很枯燥。如果我们把少量颜料加 进去,使这些洗涤剂呈现浅蓝色、粉红色的话,消费者就会 觉得比较舒服。另外,肥皂和洗涤剂存放时会发生缓慢的化 学反应,从而产生令人不愉快的气味。为了抵消这些气味就 要加进些香精。 酶:几年前国内市场上开始出现含酶的洗涤剂。使用这种洗 涤剂时,我们常常要把衣服在温水中浸泡一下。因为酶在热 水中是不活泼的。酶是蛋白质类的化学反应催化剂,它能将 蛋白质和碳水化合物这样的大分子打破,从而加快了洗涤剂 洗涤的速度。汁渍多的衣物特别适宜用含酶的洗涤剂。通常 用的酶是用于降解蛋白质的朊酶和用于分解淀粉的淀粉酶。 有一段时期,曾经由于这些酶引起一些人严重的皮肤过敏,而使 含酶的洗涤剂一度从市场上消失。现在,由于克服了这些缺点,同时 因它具有良好的洗涤能力,所以,它又重新回到市场上,并深受广大 消费者欢迎。 发泡剂泡沫可以使悬浮的油或污垢浮于水面上而被漂洗掉。 一般来说,表面张力降低就会增加泡沫,非离子型洗涤剂发 泡是不太理想的。有一类不起发泡作用的非离子型化合物它 们产生泡沫的时间很短。当含有这种洗涤剂的溶液流入沟渠 时,泡沫就消失了。有些发泡剂加入仅是为了满足消费者的 心理。因为消费者总认为洗涤水没有泡沫就没有洗涤能力。 这个看法对肥皂来说是对的,而对合成洗涤剂来说就未必尽 然了。 去污剂人们发现当玻璃器皿放在洗液中洗涤后,上面的污渍 就被漂洗干净了。这些污渍是由漂洗水中少量不溶性盐引起 的。若洗涤剂中含有用氯气与磷酸三钠作用生成的氯化磷酸 三钠,它就可以溶解那些不溶性的盐,从而使玻璃器皿干净 得闪闪发亮。 环境污染问题 近年来,肥皂与合成洗涤剂的使用量与日俱增。在美国平均每人每年 消费的肥皂和洗涤剂达 28 磅之多。 在我国近年来除了日常洗衣粉外, 洗洁精、洗发膏、香浴液等各种新型的洗涤剂不断涌入市场。这就产 生了一个新问题--环境污染问题。 1) 难降解问题: 支链问题:使用最早的阴离子合成洗涤剂尤其是烷基苯磺酸 钠(ABS)存在这个污染问题。因为它分子中的烃基是有支链的, 所以它很难被细菌分解(又称降解)。因而在污水处理工厂的污 水中这种洗涤剂的浓度往往很高。 1965 年美国政府公布:生产的合成洗涤剂必须能被生物降解。 直链型的烃易被细菌分解成只含两个碳的短链, 有支链的烃就不易被 细菌分解成只含两个碳的短链,有支链的烃就不易被细菌分解。目前 普通使用的是线型烷基苯磺酸(LAS)。LAS 洗涤剂比 ABS 便宜,而 且可以从石油副产品中制得。 阴离子杀菌导致降解难问题。由于阴离子型合成洗涤剂能杀 死细菌,而得到广泛使用,但是它的污水处理却成为了一个头痛 的事。污水中的洗涤剂常用活性污泥里的细菌把它们降解。当阴 离子洗涤剂的浓度为 150 至 200ppm 时就有致命危险。 幸而一般废 水处理厂中它的浓度很少高于几个 ppm,这个浓度可以杀死那些 令人讨厌的肠型细菌,还可以还原下水道中的污泥残渣,这样就 清洁了管道,使水畅通无阻。 2) 含磷洗涤剂污染问题。 很多洗涤剂中所含的助洗剂三聚磷酸钠和焦磷酸钠是很好的化学肥 料,它可以促进藻类等水生植物的生长。这叫水质的富营养化。然 而,物极必反,水生植物的疯狂生长会阻塞河道、湖汊,严重地影响 水上交通,另外,大量水生植物死亡时会消耗水中的氧气,还会释放 出甲烷、硫化氢等有毒气体毒化水质,使鱼类和其它水生动物无法生 存。据英、美等国统计城市污水中磷有 30%~70%来源于洗涤剂。 富营养化的结果使生机勃勃的水域变成死湖、阴沟。 总之,随着人们生活水平的提高,各种新型的洗涤剂不断投入市 场。这些产品丰富了我们的生活,给我们带来了整洁、干净、舒适的 环境。但与此同时,我们必须对洗涤水造成的水质污染问题引起足够 的重视,防患于未然。 讨论与数据 数据补充 四. 讨论与数据补充 1. 为 什 么 洗 衣 液 逐 渐 取 代 洗 衣 粉 成 为 主 要 的 洗 衣 用 品 80 70 60 50 40 30 20 10 0 学生 家庭 洗衣店 洗衣液 洗衣粉 肥皂 易量化,不易浪费 利用率高 成本逐渐降低 品质较高 2. 是不是使用的洗涤剂越多,洗涤效果越好 由该图可知,当洗衣粉的用量达到临界胶束浓度时,洗涤能力达到最大;继续加入过量 的洗衣粉,洗涤能力不会有明显的上升。 多余的洗涤剂腐蚀洗衣机与衣物。加大机器的损耗。 对环境而言,多余的洗涤剂会对环境造成污染。 洗涤剂过量导致衣服漂洗困难,浪费水资源。

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